Efek Fotolistrik Beserta Contoh Soal

Suatu eksperimen dilakukan pada akhir abad ke-19 untuk mengamati fenomena radiasi. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa cahaya yang menumbuk permukaan logam tertentu menyebabkan elektron terlepas dari permukaan logam tersebut. Fenomena ini dikenal sebagai Efek Fotolistrik dan elektron yang terlepas disebut sebagai fotoelektron. Skema eksperimen yang dilakukan dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Skema eksperimen fotolistrik. Sumber gambar: Serway, Jewet

Eksperimen dilakukan dengan menembakkan berkas cahaya ke sebuah plat logam E yang terdapat pada selubung gelas (agar kondisi eksperimen terkontrol). Terdapat sebuah plat logam lain (plat C) yang diposisikan sejajar untuk menangkap elektron yang keluar dari plat E. Kedua plat tersebut tersambung dengan sebuah sirkuit dimana terdapat amperemeter untuk membaca aliran elektron dari plat E ke plat C.

Hubungan arus fotolistrik dengan perbedaan potensial (voltase) yang terbaca dari hasil eksperimen plat E dan plat C untuk dua jenis intensitas cahaya ditunjukkan pada grafik dibawah. Saat nilai voltase tinggi, besar arus menunjukkan nilai yang maksimal dan besar arus tersebut tidak dapat bertambah naik. Besarnya arus maksimum dapat bertambah jika intensitas cahaya ditingkatkan, hal ini terjadi karena semakin tinggi intensitas cahaya yang ditembakkan maka semakin banyak elektron yang keluar dari plat logam. Ketika besar beda potensial (voltase) makin mengecil dan bahkan nilainya sampai minus (-V0), ternyata tidak ada arus yang mengalir yang menandakan tidak ada fotoelektron yang mengalir dari plat E ke plat C. Potensial V0disebut sebagai potensial henti.

Dari hasil eksperimen yang dilakukan, ternyata nilai beda potensial tidak bergantung pada intensitas cahaya yang diberikan, akan tetapi karena banyaknya muatan fotoelektron yang keluar dari plat. Hal ini menunjukkan bahwa besarnya energi kinetik maksimum dari efek fotolistrik dirumuskan sebagai berikut:

$Ek_{maks} = eV_0$

Dimana,

$e$ adalah muatan elektron (C),

$V_0$ adalah potensial henti (volt),

Persamaan ini memungkinkan kita untuk mengukur besarnya nilai energi kinetik maksimum secara eksperimental dengan menentukan beda potensial saat nilai arus sama dengan nol.

Dari eksperimen efek fotolistrik yang dilakukan, ternyata teori klasik yang menyatakan cahaya sebagai gelombang gagal menjelaskan mengenai sifat-sifat cahaya yang terjadi pada efek fotolistrik. Oleh karena itu, teori kuantum Einstein dipakai untuk menjelaskan sifat penting cahaya pada fenomena ini.

Teori Kuantum Mengenai Efek Fotolistrik

Pada model Einstein mengenai efek fotolistrik, sebuah foton dengan intensitas cahaya memberikan semua energinya hf ke sebuah elektron yang terdapat di plat logam. Akan tetapi, penyerapan energi oleh elektron tidak terjadi secara terus-menerus dimana energi dipindahkan ke elektron dengan paket tertentu, berbeda seperti yang dijabarkan pada teori gelombang. Pemindahan energi tersebut terjadi dengan konfigurasi satu foton untuk satu elektron.

Elektron keluar dari permukaan plat logam dan tidak bertabrakan dengan atom lainnya sebelum mengeluarkan energi kinetik maksimum $Ek_{maks}$ . Menurut Einstein, besarnya energi kinetik maksimum untuk elektron yang terbebas tersebut dirumuskan dengan:

$Ek_{maks} = hf - \Phi$

Dimana,

$h$ adalah konstanta Planck (Js),

$f$ adalah frekuensi foton (Hz),

$\Phi$ adalah fungsi kerja (eV),

Fungsi kerja menggambarkan energi minimum yang diperlukan agar elektron dapat terus menempel pada logam.

Dengan menggunakan foton sebagai model cahaya, efek fotolistrik dapat dijelaskan dengan benar daripada yang diprediksikan oleh konsep-konsep klasik, yaitu:

Besarnya energi kinetik yang dikeluarkan fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya. Jika intensitas cahaya digandakan, maka jumlah fotoelektron yang keluar juga berlipat ganda, namun besarnya energi kinetik maksimum pada setiap fotoelektron nilainya tidak berubah.
Elektron terlepas dari logam dalam waktu yang singkat. Selang waktu antara cahaya yang datang dan fotoelektron yang keluar tergantung pada besarnya paket energi yang dibawa foton. Jika intensitas cahaya yang diterima rendah, hanya sedikit foton yang datang per unit waktu.
Keluarnya elektron tidak bergantung pada frekuensi cahaya. Jika energi yang dibawa foton besarnya tidak lebih dari fungsi kerja, maka elektron tidak dapat dikeluarkan dari permukaan logam.
Besarnya energi kinetik maksimum fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya. Sebuah foton dengan frekuensi yang lebih besar membawa energi yang lebih besar dan akan mengeluarkan fotoelektron dengan enrgi kinetik yang lebih besar dibandingkan dengan foton berfrekuensi rendah.

Model Einstein mampu memprediksi hubungan antara energi kinetik maksimum elektron dan frekuensi cahaya. Hasil eksperimen yang membuktikan teori Einstein tersebut dapat dilihat pada grafik dibawah.

Terdapat frekuensi ambang logam dimana jika frekuensi cahaya berada dibawah frekuensi ambang maka tidak ada fotoelekton yang terlepas. Frekuensi ambang tersebut berhubungan dengan fungsi kerja sebagai berikut:

$f_0 = \frac{\Phi}{h}$

Dimana,

$f_0$ adalah frekuensi ambang (Hz),

Dengan menggabungkan persamaan diatas dengan persamaan sebelumnya, maka besarnya energi kinetik maksimum dari sebuah elektron yang terlepas diformulasikan dengan:

$Ek_{maks} = h(f - f_0)$

Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, elektron dapat keluar dan timbul energi kinetik jika frekuensi cahaya yang diantarkan oleh paket yang dibawa foton lebih besar dari frekuensi ambangnya.

Selain itu, dapat diketahui pula panjang gelombang ambang berdasarkan frekuensi ambangnya: $\lambda_0 = \frac{c}{f_0} = \frac{hc}{\Phi}$

Dimana,

$c$ adalah kecepatan cahaya (3 x 108 m/s),

$hc$ =1240 eV.nm,

Contoh Soal Efek Fotolistrik

Sebuah permukaan logam natrium diterangi dengan cahaya yang memiliki panjang gelombang 300 nm. Tentukan energi kinetik maksimum yang dikeluarkan fotoelektron dan tentukan besar panjang gelombang ambang untuk natrium.

Pembahasan:

Berikut ini nilai fungsi kerja dari berbagai logam:

Logam (eV)

Na 2,46

Al 4,08

Fe 4,50

Cu 4,70

Zn 4,31

Ag 4,73

Pt 6,35

Pb 4,14

Diketahui besar fungsi kerja natrium sebesar 2,46 eV.

Diketahui bahwa: $f = \frac{c}{\lambda}$

Dengan memakai persamaan energi kinetik maksimum, diketahui: $Ek_{maks} = hf - \Phi$ $Ek_{maks} = \frac{hc}{\lambda} - \Phi$

Sehingga, nilai energi kinetik maksimum didapat sebesar: $Ek_{maks} = \frac{1240eV \cdot nm}{300 nm} - 2.46 eV = 1.67 eV$

$\lambda_0 = \frac{hc}{\Phi} = \frac{1240 eV \cdot nm}{2.46 eV} = 504 nm$ Kemudian, didapatkan nilai frekuensi ambang untuk natrium

sumber :https://www.studiobelajar.com/efek-fotolistrik/